Cr20Ni80电热合金电渣重熔、微观组织的数值模拟与分析

作     者：樊勇军 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓龙

授予年度：2014年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电渣熔铸 数值模拟 温度场 电场 微观组织 

摘      要：电渣熔铸是一种典型的近净成形技术,它将金属的精炼提纯和凝固结晶成形聚于一体,使铸件具有良好的冶金质量和凝固质量,产品性能优异。电渣熔铸过程中渣池的温度场分布和电场分布,以及金属熔池的温度场分布与深度情况,都对铸件的的结晶组织和性能有着非常重要的影响。随着电渣熔铸技术的不断发展和更广泛地应用,采用数值模拟技术对电渣熔铸系统的热场与电场的分布情况,以及铸件结晶组织进行研究,对实际生产的可行性与产品质量的控制有着非常重要的理论指导意义。 本文首先建立了电渣熔铸过程中的热电场数学模型,以自耗电极、渣池、渣壳、铸锭及结晶器为计算物理模型,借助大型有限元软件ANSYS里的热电耦合单元-SOLID69,并选用Langrange插值函数对电渣熔铸过程中渣池和金属熔池的温度场与电场分布进行了模拟分析,并分析了熔铸电流、冷却条件及渣池深度对金属熔池温度分布与深度的影响。同时,本文以元胞自动机模型为基础,建立了异质形核模型和枝晶尖端生长动力学模型-KGT,采用有限元软件ProCAST对铸锭的微观晶粒组织进行了数值模拟,并模拟分析了冷却条件与形核过冷度对铸锭微观晶粒组织形貌的影响,最后通过金相分析与模拟结果进行了比较。最终得出以下结论： (1)在电渣熔铸过程整体温度场分布中,高温区主要集中在渣池部分,从渣金界面向下,温度逐渐降低,形成低温区;在自耗电极端部、结晶器及渣金界面处温度梯度和热流密度较大,渣池与铸锭内部温度梯度和热流密度较小;熔铸系统中的电位基本呈层状分布,电位分布主要集中于渣池,渣池中电流密度较大,从自耗电极端部向下,电位逐渐降低,渣金界面以下电位基本为零,电流密度很小。熔铸系统整体的热电场分布情况比较符合实际生产过程。 (2)在电渣熔铸系统中,自耗电极端部电流密度最大,电位最高,为40V,并且电极端部温度最高,可达2005℃,形成一高温区;在渣池的径向和轴向方向上,电位和电流密度逐渐降低,温度也逐渐降低,形成一低温区;在电极端部、结晶器附近及渣池界面处热流密度和温度梯度较大,而渣池内部较小。 (3)在渣金界面以下,金属熔池与铸锭的温度场分布基本呈U型状,在渣金界面中心处温度最高,熔池深度较深,金属液的过热度较大,在径向和轴向上温度逐渐降低;在渣金界面处于结晶器附近,热流密度和温度梯度较大,而在金属熔池与铸锭内部较小;金属熔池与铸锭的电流密度非常小,电位也非常小,基本为零。 (4)熔铸电流、冷却条件和渣池深度三种工艺参数对金属熔池深度的影响很大。随着熔铸电流的增大,最高电位逐渐增大,渣池的最高温度也在不断上升,金属熔池深度逐渐增加;随着冷却系数的减小,渣池温度和电位基本不变,而渣池以下区域平均温度逐渐上升,金属熔池的深度也在相应地增加;随着渣池深度的降低,熔铸系统的极间距逐渐减小,导致金属熔池的深度逐渐变深。 (5)形核过冷度大小与结晶器冷却水的冷却系数对铸锭微观晶粒组织有着很大的影响。当形核过冷度从4℃增加到12℃时,铸锭凝固微观组织中等轴晶区比例逐渐减小,而柱状晶区比例不断增大;在过冷度为4℃时,铸锭微观组织大部分由等轴晶组成;而当过冷度为12℃时,铸锭微观组织几乎全部由粗大的柱状晶组成。当冷却水对流换热系数从1000W/(m2·K)增大到4000W/(m2·K)时,铸锭微观组织中等轴晶所占比例不断减小,而柱状晶比例不断增大,并且随着冷却系数的增大,晶粒尺寸逐渐变得粗大。 (6)模拟结果与铸锭金相组织分析结果相比较,有限元模拟铸锭的组织形貌与实际铸锭组织形貌分布趋势基本一致。